不同冻结温度下牛肉水分的状态变化

孙圳+谢小雷+李侠+岳鉴颖+张春晖

摘 要：研究3个冻结温度（-8、-23、-38 ℃）条件下牛肉冻结过程中的水分状态的变化。借助低场核磁共振波谱（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）与核磁成像（magnetic resonance imaging，MRI）技术，分析牛肉在冻结过程中内部水分状态、弛豫时间T2、水分信号幅度及1H密度的变化。结果表明：样品中心温度降至

-38、-23、-18 ℃分别耗时176、350、315 min，说明-38 ℃处理能够显著提高牛肉冻结速率;3 个冻结温度

LF-NMR分析表明，随着冻结时间的延长，自由水和不易流动水的峰面积、弛豫时间T2及信号幅度均逐渐降低。3 个冻结温度均能使样品中的自由水全部冻结，而结合水均不被冻结;-38 ℃能使不易流动水完全冻结，-18、

-23 ℃分别使73.04%、99.60%的不易流动水冻结。1H MRI 成像技术也进一步证实了LF-NMR分析结果。

关键词：牛肉;冷冻;低场核磁共振波谱;核磁成像;水分迁移

The Transformation of Water States during Beef Freezing

SUN Zhen， XIE Xiaolei， LI Xia*， YUE Jianying， ZHANG Chunhui

（Comprehensive Key Laboratory of Agro-Products Processing， Ministry of Agriculture， Institute of Agro-Products Processing

Science and Technology， Chinese Academy of Agricultural Sciences， Beijing 100193， China）

Abstract： This paper studies the transformation of water states during beef freezing at 3 different temperatures （?18， ?23 and ?38 ℃）. Internal water state， T2 relaxation time， the change of signal amplitude and H proton density of frozen beef were analyzed by low field nuclear magnetic resonance （LF-NMR） and magnetic resonance imaging （MRI）. The results showed that the times elapsing until the internal temperature of the sample dropped to ?38， ?23 and -18 ℃ were 176， 350 and 315 min， respectively， suggesting the freezing of beef can be considerably sped up at -38 ℃. The LF-NMR data indicated that the peak areas of free water and immobile water， T2 relaxation time and signal amplitude decreased gradually with the extension of freezing time at each temperature. The free water in beef was completely frozen at all three temperatures， whereas no bound water was frozen. At ?38 ， ?18 and ?23 ℃， 100%， 73.04% and 99.60% of the immobile water was frozen， respectively. The LF-NMR analysis was confirmed by the results from 1H MRI.

Key words： beef; freezing; low field nuclear magnetic resonance （LF-MRS）; magnetic resonance imaging （MRI）; water transformation

中图分类号：TS251.1                      文献标志码：A 文章编号：1001-8123（2016）01-0015-06

DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.004

引文格式：

孙圳， 谢小雷， 李侠， 等. 不同冻结温度下牛肉水分的状态变化[J]. 肉类研究， 2016， 30（1）： 15-20. DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.004.    http：//rlyj.cbpt.cnki.net

SUN Zhen， XIE Xiaolei， LI Xia， et al. The transformation of water states during beef freezing[J]. Meat Research， 2016， 30（1）： 15-20. （in Chinese with English abstract） DOI：10.15922/j.cnki.rlyj.2016.01.004.    http：//rlyj.cbpt.cnki.net

牛肉中含有丰富的蛋白质、必需氨基酸、矿物质等营养成分，风味独特，深受消费者的喜爱。工业上，冻藏作为牛肉的主要保鲜方式，能够抑制大多数微生物的生长，降低酶活性，延长肉品货架期[1]。但冻藏过后的肌肉保水性一般会降低，造成经济损失[2]。冻结处理对原料肉水分状态影响的研究较为匮乏，其冻结过程中的水分状态变化过程尚不清楚。采用低场核磁共振分析（low field nuclear magnetic resonance，LF-NMR）及1H核磁成像技术（magnetic resonance imaging，MRI），可以实时跟踪肌肉冻结过程中水分状态变化过程，如谢小雷等[3]利用LF-NMR研究了不同干燥方式对牛肉干干燥过程中水分迁移的影响，McDonnell等[4]利用LF-NMR研究了氯化钠对猪肉中水分分布的影响。本研究以黄牛里脊肉为对象，选取生产上常用的3个冻结温度（-18、

-23、-38 ℃），通过动态采集冻结过程中样品的中心温度，借助LF-NMR和MRI技术分析牛肉在-18、

-23、-38 ℃冻结过程中内部水分状态、弛豫时间T2、水分信号幅度及1H密度的变化[5]，揭示牛肉冻结过程中的水分状态变化规律，以期为肉制品冻结贮藏方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

黄牛里脊肉（4 ℃条件下成熟36 h） 北京御香苑畜牧有限公司。

1.2 仪器与设备

DW-86L386医用低温保存箱 青岛海尔特种电器有限公司;YP10002电子天平 上海越平科学仪器有限公司;PQ-001核磁共振仪、MINI MR-60核磁共振成

像仪 上海纽迈电子科技有限公司;L93-1防水温度记录仪 杭州路格科技有限公司。

1.3 方法

1.3.1 样品制备

将原料肉修整切割成5 cm×4 cm×4 cm的肉块，并用保鲜膜包裹，进行冻结实验[6]。

1.3.2 冻结实验

将处理好的肉块分别单层放置于-18、-23、

-38 ℃的冰箱中，进行空气冷冻，使肉块中心温度由4 ℃分别降至上述冰箱设定温度。冻结过程中，在肉块中心温度为4、0、-8、-12、-16、-18、-23、-28、

-32、-36、-38 ℃时取样进行相关实验指标的测定。

1.3.3 指标测定

1.3.3.1 冻结曲线

将热电偶插入样品内部约2.5 cm处，共取3 组平行，实时记录肉块中心温度，测定冻结曲线[6]。

1.3.3.2 水分组成的测定

参照Li等[7]的方法，采用核磁共振分析软件中的

Carr-Purcell-Meiboom-Gill（CPMG）脉冲序列测定样品中的横向弛豫时间T2。将精确称量的样品置于核磁共振成像仪永磁场中心位置的射频线圈中心，进行磁共振波谱测定。CPMG脉冲序列参数为：主频：23 MHz;偏移频率：286.7813 kHz;90脉冲时间：17 μs;180脉冲时间：35 μs;采样点数54 996;重复时间3 000 ms;累加次数4 次;回波数2 000。

1.3.3.3 1H密度成像的测定

参照Li Xin等[8]的方法并作适当修改，采用核磁共振成像系统自旋回波成像序列对样品进行1H密度成像。将中心温度为4、-18、-23、-38 ℃的样品分别置于核磁共振成像仪永磁场中心位置的射频线圈中心，进行成像实验。主要参数为：重复时间2 000 ms;重复次数4 次;纵向弛豫时间T1：20 ms;根据CPMG序列测得的T2值，选择自旋回波时间20 ms。

1.4 数据分析

采用SAS 9.2软件对结果进行Duncans方差检验分析，使用最小显著差异法（least significant difference，LSD）

进行显著性分析（P<0.05）;所有分析图均采用Origin 8.0软件绘制。

2 结果与分析

2.1 不同冻结温度条件下样品中心温度变化

通过热电偶实时监测肉块中心温度，得到牛肉块冻结曲线如图1所示。

图 1 冻结过程中环境及样品内部中心温度变化

Fig.1 Changes in sample internal temperature and environmental temperature during beef freezing

由图1可知，在-1.5 ℃左右，冻结速率减慢，冻结曲线的斜率降低，这是由于样品中水结冰的过程需要释放潜热，导致样品温度保持相对恒定。随后冻结速率再次上升，直到达到相应的环境温度，冻结过程结束，这与黄鸿兵[6]的研究结果相似。随着冻结温度的降低，样品与冰箱环境温度温差越大，传热速率加快导致冻结速率越快，这一点可以从-18、-23、-38 ℃的冻结曲线可以看出。在-38℃条件下，样品中心温度通过潜热释放带所需要的时间约为50 min，明显较-23 ℃（130 min）和-18 ℃（150 min）短，且温度越低冻结速率越快。同时比较将中心温度降至所定环境温度所需时间，-38 ℃耗时176 min，显著低于-23 ℃（350 min）和-18 ℃（315 min）（P<0.05）。

2.2 冷冻温度对水分状态的影响

2.2.1 冷冻温度对牛肉块冻结过程中横向弛豫时间T2的影响

A. -18 ℃;B. -23 ℃;C. -38 ℃;样品中结合水弛豫时间T21：0～10 ms;不易流动水弛豫时间T22：10～100 ms;自由水弛豫时间T23：100～1 000 ms。

图 2 冷冻温度对样品横向弛豫时间T2的影响

Fig.2 Effect of freezing temperature on transverse relaxation time T2 of samples

由图2可知，样品在3 种冷冻过程中弛豫时间T2在1～1 000 ms的弛豫时间内分布有3～4 个峰，这与Li Xin等[8]

用LF-NMR研究解冻牛肉的结果一致。肌肉水分分布的变化情况，可以通过LF-NMR通过测定1H的横向弛豫时间T2来表征。1H的弛豫时间与水分的流动性密切相关。在食品体系中，水分状态的不同，都会使弛豫时间T2发生改变。不同的弛豫时间T2，能够容易地区分自由水和结合水。牛肉中有3 种不同活动状态的水：位于高度组织化的蛋白质结构内的结合水、肌原纤维蛋白外部含肌浆蛋白组分的不易流动水和自由水[9-10];

分别用T21（0～10 ms）、T22（10～100 ms）、T23（100～1 000 ms）对应其峰面积，以表示3 种状态水的含量[11]。不同温度下3 种状态水峰面积的结果如表1所示。随着冻结过程的加深，样品的中心温度逐渐下降，3 种冻结温度对应的样品中水分总峰面积在逐渐减小，这是因为样品中自由水以及部分结合水随着温度的降低被冻结，而冰的1H信号不能被低场核磁共振仪捕捉到，从而造成水分总峰面积的减小[13]。

a.不易流动水;b.自由水;c.总水分。

图 3 冷冻温度对各组分水含量变化影响

Fig.3 Effects of freezing temperature on the contents of immobile， free and total water in samples

由图3可知，自由水峰面积S23随着冻结程度的加深逐渐降低，当样品中心温度达到-18 ℃时，自由流动水峰面积为零，自由水完全被冻结。不易流动水峰面积S22随着冻结程度的加深而下降，样品中心温度为-38 ℃时，不易流动水峰消失;但样品中心温度在-18 ℃和-23 ℃时，不易流动水尚未被完全冻结，冻结率分别为73.04%和99.60%;这说明冻结温度越低，不易流动水越容易被冻结。而在3 种冻结温度下，结合水均不能被冻结，结合水峰面积在冻结过程中变化不大。这与赵彦星等[14]利用低场核磁技术研究比萨冷冻过程中水分状态转变的结果相一致。

2.2.2 冷冻温度对不同状态水横向弛豫时间的影响

横向弛豫时间T2是指1H自旋核在外加磁场受到射频脉冲的激发后，系统内部达到横向热平衡所需要的时间，其值越大反映水分子的流动性越强。3 种冷冻温度对牛肉块冷冻过程中横向弛豫时间T21、T22、T23的影响结果如图4所示。

a.结合水;b.不易流动水;c.自由水。

图 4 冷冻温度对样品冷冻过程中横向弛豫时间T21、T22、T23的影响

Fig.4 Effects of freezing temperature on T21， T22 and T23 of samples

由图4可知，结合水横向弛豫时间T21随着温度降低上下波动，不易流动水横向弛豫时间T22和自由水横向弛豫时间T23随着冻藏温度的降低均呈下降趋势，这与庞之列等[15]报道的牛肉解冻过程中横向弛豫时间变化趋势一致。T22、T23均会随着温度的降低而降低，这表明冻藏温度的降低能够显著降低样品内部不易流动水和自由水的流动性。-18 ℃处理中，在样品中心温度降低到

-18 ℃时，已完全捕捉不到自由水弛豫时间T23，说明自由水已完全被冻结。-23 ℃处理中，在样品中心温度达到-23 ℃时，不易流动水弛豫时间T22达到最小值。这说明部分不易流动水被冻结，流动性减弱。

2.2.3 冷冻温度对不同状态水信号幅度的影响

a. 结合水;b.不易流动水;c.自由水。

图 5 冷冻温度对样品冷冻过程中信号振幅M21、M22、M23的影响

Fig.5 Effects of different freezing temperatures on M21， M22 and

M23 of samples

不易流动水和自由水存在于牛肉中性质稳定性较差，一般易受外界条件的影响，在冷冻过程中易被冻结含量减少从而信号幅度降低[16]。不易流动水以及自由水被冻结会造成信号幅度M22、M23值减少。

由图5可知，随着冻结程度的增大，样品信号振幅M21、M22、M23值在冷冻过程中均呈下降趋势。3 种冻结温度下的结合水M21值均较为稳定，Guo等[17]在研究猪肉腌制过程中水分变化中也发现相同现象。牛肉块在各个不同冷冻温度下的不易流动水M22值的变化趋势基本一致，都呈现下降的趋势;样品中心温度为-36 ℃时M22值变为0，这表明此时不易流动水已被完全冻结。3 种冻藏温度下自由水M23值亦呈现逐渐下降的趋势，当样品中心温度达到-18 ℃时，M23值为0，这表明样品中的自由水已完全被冻结，这与Miklos等[18]研究结果相似。

2.3 不同冷冻温度对1H密度的影响

a. -18 ℃;b. -23 ℃;c. -38 ℃。

图 6 不同冷冻温度下样品的二维1H密度图像

Fig.6 Proton density images of samples frozen at different temperatures

根据Elmasry等[19]的报道MRI技术能够研究水分分布情况。1H密度图像中图像越亮，表明1H密度越高。由图6可知，随着冷冻温度的降低，牛肉块在3 种不同温度的冷冻过程中的1H密度图像的亮度均呈下降趋势说明样品内部含水量越来越低，这与Borompichaichartkul等[20]用MRI技术研究玉米干燥过程中的1H密度图像变化趋势一致。其中

-18 ℃可看见样品轮廓;-23 ℃时可勉强看见样品的轮廓，但-38 ℃条件下牛肉块的二维1H密度图像已经完全消失，这说明在该温度下样品中自由水以及不易流动水被冻结，1H信号不能被识别，导致了样品轮廓消失。

3 结 论

较低的冻结温度能显著提高牛肉冻结速率。在

-18、-23、-38 ℃冻结温度条件下，样品中心分别达到相对应的环境温度后，自由流动水均被完全冻结，而不易流动水的冻结率分别为73.04%、99.60%、100%。其中，与-18 ℃相比，-23 ℃冻结温度下，样品水分冻结程度更高，仅有0.4%的水分处于游离状态，具有较好的保藏效果;与-38 ℃冻结处理相比，二者保藏效果相似，但

-23 ℃冻结处理更加节约能源。基于冻结处理对样品中水的流动性影响分析，可以选择-23 ℃作为牛肉的冻藏温度。

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